MERTA NÄKYVISSA! NÄIN TUTKIMUS RAKENTAA TURVALLISIA JA KESTÄVIÄ LAIVOJA
2009: Keskeltä halkaistu jättiristeilijä syntyi uusien laskentamenetelmien avulla
1990-luvulta alkaen risteilylaivoista tuli yhä hulppeampia elämyskeitaita, mikä asetti insinööritieteille uusia haasteita. Teknillisen korkeakoulun meritekniikassa alkoi systemaattisen rakennetutkimuksen aika.
STX Finlandin telakalla Turussa valmistui vuonna 2009 Oasis of the Seas -risteilyalus, joka mullisti risteilyalan. 65 metrin korkuiselle alukselle tehtiin poikkeuksellinen, halkaistu kansirakennus. Hytit jaettiin kahteen torniin, ja keskelle muodostui avoin keskuspuisto elävine puineen ja kasveineen.
TKK:n meritekniikan osaajat olivat 1990–2000-lukujen taitteessa mukana ratkaisemassa jättiristeilijän arkkitehtuurin haasteita. Tämä on tyypillinen tapa, jolla alan tutkimus etenee: työ alkaa yhteiskunnan tai teollisuuden tarpeesta, jonka ratkaisemiseen tarvitaan vaativaa insinööritiedettä.
Pitkät perinteet
”Suomi on saari”: vienti ja tuonti ovat riippuvaisia merenkulusta. Aallon meritekniikan tutkimuksella onkin pitkät perinteet.
Merenkulkua ja laivojen rakennusta ovat muokanneet esimerkiksi Raholan 1939 luoma teoria ehjän laivan vakaudelle ja vuonna 1985 julkaistut jääsäännöt. Jääsäännöissä laivat jaotellaan jääluokkiin. Esimerkiksi suomalaisiin satamiin liikennöiville aluksille määrätään suomalainen jääluokka, ja eri jääluokille on tiettyjä vaatimuksia esimerkiksi konetehosta sekä rungon ja kuljetuskoneiston vahvistuksesta. Sääntöjen tarkoitus on varmistaa laivojen turvallinen operointi erilaisissa jääolosuhteissa, ja ne on otettu käyttöön kaikkialla maailmassa.
Jäiden ja laivan rungon törmäyksestä syntyvien paineiden laskennassa TKK:ssa tehtiin uraauurtavaa työtä jo 1970-luvulla. 1990-luvulla kehitettiin uusia menetelmiä konetehon ja runkomitoituksen vaatimusten laskentaan.
”Viitenä-kuutena talvena peräkkäin joku tutkijoistamme oli koko ajan laivalla tekemässä mittauksia. Tietokoneiden kehittyessä saatiin yhä tarkempia laskentamalleja”, kertoo meritekniikan professori Pentti Kujala.
1990-luvulla risteilijöistä tuli elämyskeitaita, joissa oli paljon avointa tilaa. Niiden piti silti kulkea meriaallokossa turvallisesti. Rakenteellisten ratkaisujen, kuten aurinkokannen ravintoloiden ja loft-hyttien, suunnittelutyö ja aallokon aiheuttamien värähtelyiden hallinta ei olisi onnistunut ilman laskentamenetelmien kehitystä.
Vähitellen painopiste laajeni yksittäisten laivojen rakenteesta myös siihen, miten laivat käyttäytyvät keskenään eri merialueilla.
”Ruvettiin selvittämään, miten laivat Itämerellä liikkuvat, mitkä ovat törmäysriskit ja millaisia vaurioita voisi syntyä”, meritekniikan professori Jani Romanoff sanoo.
Meritekniikassa tutkimus linkittyy tiiviisti myös uusien osaajien kouluttamiseen.
”Alalle ei useinkaan riitä pelkkä tutkimus ja menetelmän kehitys. Yritykset tarvitsevat myös osaajia, joilla on vahva teoreettinen tausta uusien laskentamenetelmien soveltamiseen vaativissa insinöörisovelluksissa”, toteaa meritekniikan tutkimusryhmää johtava professori Heikki Remes.
Teksti: Terhi Hautamäki
Uusien laivojen pitää kestää kovempia myrskyjä ja liikkuvia jäämassoja
Aallon tutkijat ratkovat meritekniikan globaaleja haasteita, joista moni johtuu ilmastonmuutoksesta. Mukaan tulee tekoälyä ja jopa käyttäytymistieteitä.
Vaatimuslista tulevaisuuden laivoille on pitkä. Ne pitää rakentaa hiilineutraalisti kierrätettävistä materiaaleista ja niiden pitää olla energiatehokkaita.
Samaan aikaan laivojen pitää kestää ilmastonmuutoksen myötä yhä korkeammaksi kasvavia aaltoja ja rajumpia myrskyjä. Nykyinen tieto jäistä ja aallokosta käy vanhaksi. Tarvitaan uusia ennusteita ja niihin meritekniikan ja meteorologian yhteistyötä.
”Liikenne kasvaa pohjoisilla ja eteläisillä arktisilla merillä. Vaikka jää vähenee, se ei häviä. Jäät liikkuvat jatkossa enemmän. Jään ja aallokon vuorovaikutus tulee uutena ilmiönä”, sanoo Pentti Kujala, meritekniikan professori.
Merenkäynnin muutos asettaa laivojen runkorakenteelle uusia vaatimuksia. Ympäristösyistä laivan rungon tulee olla mahdollisimman kevyt, mutta samalla sen pitää kestää myrskyjen ja jään aiheuttamat äärikuormat. Laivat on myös osattava suunnitella niin, että ne ovat turvallisia vielä vuosikymmenien päästä, muuttuvissakin olosuhteissa.
Aallon meritekniikan tutkijat ratkovatkin esimerkiksi rakenteen, jään ja nesteen vuorovaikutukseen ja kevytrakenteiden lujuuteen liittyviä kysymyksiä. Myös uusien vähäpäästöisten, dieselin korvaavien polttoaineiden turvallisuus vaatii tutkimusta.
Uniikki jäätutkimusallas
Suomi on maailman johtava arktisen laiva- ja meritekniikan maa, ja Aallon tutkimuksella on siinä ratkaiseva rooli. Otaniemen kampuksella sijaitsee muun muassa maailman suurin sisäjääallas, Aalto Ice and Wave Tank.
”Jääaltaassamme voi tutkia sekä aaltoja että jäätä mallimittakaavassa ja luoda teoreettisia malleja aallokon ja jään vuorovaikutuksesta”, professori, jäätutkija Jukka Tuhkuri sanoo.
Mitä monimutkaisemmaksi käyvät meritekniikan tutkimusongelmat, sitä enemmän on tarvetta hyödyntää moderneja kokeellisia tutkimusmenetelmiä ja tekoälyä mittausdatan analysoinnissa.
”Tekoäly voi analysoida ympäristödataa, laivojen keskinäistä liikkumista ja jopa ihmisten käyttäytymistä laivalla”, kertoo meritekniikan professori Jani Romanoff
Meriliikennettä halutaan myös automatisoida. Tutkimusten mukaan merikapteeni pystyisi maissa sijaitsevalta komentosillalta ohjaamaan normaalioloissa noin kuutta laivaa samaan aikaan. Jos etäohjaukseen siirrytään, merenkäyntiin liittyvien kysymysten päälle tulevat vielä tietotekniset kysymykset: miten tieto kulkee ja miten älykkäät järjestelmät pystyvät tukemaan päätöksen tekoa myös kriisitilanteissa?
Globaalin merenkulun haasteita ratkotaan Aallossa neljällä tutkimusalueella: arktinen meritekniikka, kehittyneet rakenteet, hydromekaniikka ja älykkäät laivajärjestelmät.
Teksti: Terhi Hautamäki